CN116497289A - 一种超高强度双相不锈钢丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高强度双相不锈钢丝及其制备方法，该钢丝按质量百分比包含以下组分：C:0.02％～0.03％，Cr:21.5％～22.5％，Ni:0.8％～1.5％，Mn:3.5％～5.0％，Mo:0.05％～0.15％，N:0.20％～0.35％，P≤0.009％，S≤0.008％，Si:0.45％～0.60％，W:0.08％～0.20％，Ce:0.05％～0.15％，La:0.05％～0.15％，余量为Fe。其制法为：采用单向多道次冷拉拔法将不锈钢盘条拉拔至应变量为2.47～2.57的不锈钢丝。本发明的不锈钢丝在室温下的抗拉强度超过了2600MPa，延伸率大于3％，强度高、耐腐蚀性能好。
Description
技术领域
本发明涉及一种不锈钢丝及其制备方法，尤其涉及一种超高强度双相不锈钢丝及其制备方法。
背景技术
不锈钢丝是一种具有良好耐腐蚀性能和高强度的金属线材，被广泛应用于海工、医疗、交通等领域。随着科技和工业化的进步，不锈钢丝的应用领域不断扩大，尤其在高新技术领域。目前使用最广泛的是304奥氏体不锈钢丝。双相不锈钢是一种由奥氏体和铁素体两相组成的不锈钢，兼具奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点。由于两相共存，双相不锈钢的强度要高于304不锈钢，其屈服强度提升了近一倍。和304不锈钢相比，双相不锈钢中Ni含量较低，所以双相不锈钢的生产成本更低。因此，双相不锈钢丝在力学性能和成本上都要优于304不锈钢丝，使用双相不锈钢丝替代304不锈钢丝成为了一种趋势。
由于双相不锈钢中含有铁素体相，其塑性和冷加工性都要低于奥氏体不锈钢，这使得通过冷拉拔制备双相不锈钢丝变得困难。目前对于双相不锈钢板材和管材的研究较多，对于双相不锈钢丝的研究较少。专利CN 103103457A公开了一种双相不锈钢编织软管丝的制造方法，该专利在获得双相不锈钢丝成品的过程中经过了4次固溶处理，更换了4次润滑剂，最终钢丝的抗拉强度为810MPa。专利CN 105624580B公开了一种双相不锈钢丝及其制备方法，该专利通过添加Ce等合金元素，提高了钢丝的强度，最终成品钢丝的抗拉强度约为1800MPa。但是其拉拔过程中仍需要经过多次高温固溶处理。在生产过程中多次固溶处理以及更换润滑剂，不仅提高了生产成本还降低了生产效率。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能在简化工序的同时仍能获得较高强度的超高强度双相不锈钢丝；
本发明的第二个目的是提供上述的超高强度双相不锈钢丝的制备方法。
技术方案：本发明的超高强度双相不锈钢丝，按质量百分比包含以下组分：C:0.02％～0.03％，Cr:21.5％～22.5％，Ni:0.8％～1.5％，Mn:3.5％～5.0％，Mo:0.05％～0.15％，N:0.20％～0.35％，P≤0.009％，S≤0.008％，Si:0.45％～0.60％，W:0.08％～0.20％，Ce:0.05％～0.15％，La:0.05％～0.15％，余量为Fe。
本发明增加了Ce和La元素；Ce、La和钢中的S和O元素有较强的亲和力，具有脱硫脱氧、夹杂物改性的作用。钢中夹杂物的主要危害是降低钢的耐腐蚀性和塑性。所以Ce和La两种稀土元素的加入可以提高钢的洁净度，改善钢的可拉拔性，有利于更大形变量的拉拔。并且，由于Ce和La原子半径比Fe大，可以对钢中的固溶体提供固溶强化作用，使得晶粒细化，提高双相不锈钢的强度和塑性。提高了钢丝的塑性，即提高了钢丝的可拉拔性。
本发明增加了W元素；W元素可改善钢的硬度和耐磨性，W是一种硬度很高的金属，可以与铁元素形成坚硬的钨化合物。在钢中添加适量的W元素，可以提高钢的硬度和耐磨性，使得钢的使用寿命更长；并且，也提高了钢的强度和韧性，使得钢具有更好的耐拉伸性能和抗冲击性能。
上述的超高强度双相不锈钢丝的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各元素的原料按照比例混合并进行熔炼，将熔炼得到的钢水浇铸得到铸坯；
(2)将铸坯加热锻造得到锻造坯，将所述锻造坯热轧处理得到热轧盘条；
(3)将所述热轧盘条进行固溶处理，然后进行多道次冷拉拔，控制第1道次采用较小压缩量，第2-8道次采用较大压缩量，第9-最后道次采用较小压缩量；得到所述的超高强度双相不锈钢丝。
其中，步骤(3)中，所述多道次冷拉拔为单向多道次冷拉拔；优选共进行11道次的冷拉拔；总面缩率大于90％。
步骤(3)中，第1道次面缩率为7％～9％，拉丝速率为3.0m/min～3.5m/min。由于不锈钢盘条经过轧制后盘条粗细可能不均匀，且表面可能还有未去除的氧化皮。所以第1道次拉拔的面缩率较小，主要目的是：使盘条规格均匀，去除表面可能存在的氧化皮。经过第一道次拉拔之后，钢丝表面完整且有光泽，钢丝的尺寸均匀。若第一道次面缩率太大，由于盘条规格不均匀，可能会使得盘条在拉拔过程中受力不均匀，破坏钢丝表面，影响后续拉拔。
步骤(3)中，第2～8道次面缩率分别为28％～26％、27％～25％、26％～24％、24～22％、23％～22％、22％～21％、21％～20％，拉丝速率均为2.0m/min～2.5m/min。此时应变量较低，钢丝的加工硬化程度不高，拉丝速率较快。经过拉拔之后，钢丝表面完整且有光泽，钢丝的尺寸均匀，不容易断丝。
步骤(3)中，第9～11道次面缩率分别为19％～18％、19％～17％、17％～16％；拉丝速率均为1.0m/min～1.5m/min。此时应变量较高，钢丝的加工硬化程度高，拉丝速率较慢。经过拉拔之后，成品钢丝表面完整且有光泽，整根钢丝规格均匀。若面缩率较大，则在最后的拉拔过程中容易出现断丝现象。
其中，步骤(3)中，在每道次拉拔之前，使用MoS2喷涂覆膜。MoS2具有较好的耐高温性能，钢丝在拉拔过程中容易产生较高的温升，所以MoS2能够在拉丝过程中保持润滑；还具有减摩作用，由于MoS2的摩擦系数较低，在0.05-0.1之间，所以能极大减小摩擦装置的摩擦阻力，可以起到保护钢丝表面的作用，提高钢丝的可拉拔性。
其中，步骤(2)中，热锻温度为1100℃～1200℃；热轧温度为1000℃～1100℃。
其中，所述不锈钢丝中奥氏体和铁素体体积分数的比值为1.3～1.5。
其中，步骤(1)中，熔炼的输出功率为100KW～110KW，炉温为1550℃～1650℃。
其中，热轧盘条的直径为5.5mm～7.0mm，成品不锈钢丝的规格为1.6mm～2.0mm，拉拔应变为2.47～2.57。
其中，拉丝模具优选使用聚晶模具；其耐磨性好，寿命长。聚晶模具的寿命约为硬质合金模具的30～50倍，因此在拉丝过程中无需经常停机更换模具。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)本发明改善了钢丝的组分，控制第1道次为较小面缩率、第2-8道次为较大面缩率、第9-11道次为较小面缩率，使得本发明并不需要反复的拉拔及退火过程，即可获得抗拉强度高的钢丝；(2)本发明制备的双相不锈钢丝N和Mn含量高，且含有W，钢丝的抗拉强度高，超过了2600MPa；延伸率大于3％；(3)本发明制备的双相不锈钢丝Ni含量低，且含有稀土元素Ce和La，钢丝的成本低，纯净度高。
附图说明
图1是实施例1的双相不锈钢丝盘条和成品的工程应力应变曲线；
图2是实施例1的双相不锈钢丝盘条和成品的微观组织形貌；
图3是实施例和对比例的双相不锈钢丝的抗拉强度图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种超高强度双相不锈钢丝的制备方法，按质量百分比包含以下组分：C:0.03％，Cr:22.5％，Ni:0.8％，Mn:5.0％，Mo:0.15％，N:0.35％，P:0.006％，S:0.005％，Si:0.45％，W:0.20％，Ce:0.15％，La:0.15％，余量为Fe。将上述不锈钢丝的成分按照比例进行混合并在中频感应炉中进行熔炼，将熔炼得到的钢水浇铸得到铸坯；将所述铸坯加热锻造得到锻造坯，将所述锻造坯热轧处理得到热轧盘条；采用单向多道次冷拉拔法，在每道次拉拔之前，需要使用MoS2喷涂覆膜。
具体过程如下：
(1)将盘条成分按照质量比称量好后，进行加热烘干。将预处理好的原材料加入中频感应炉进行熔炼，输出功率为110KW，炉温为1600℃。加入钢水0.3％总重量的硅钙锰进行脱氧。脱氧后按照质量比将纯Ce、纯La和纯W加入钢水中，之后将熔炼得到的钢水浇铸得到铸坯；
(2)将所述铸坯加热锻造得到锻造坯，热锻温度为1200℃；将所述锻造坯热轧处理得到热轧盘条，热轧温度为1100℃，最终热轧盘条的直径为6.5mm；
(3)将所述热轧盘条在1200℃下固溶处理1.5h，固溶处理后使用体积分数为8％的稀硫酸溶液对盘条进行酸洗。盘条的工程应力应变曲线如图1所示，微观组织如图2中的(a)所示。然后进行11道次的冷拉拔，拉丝模具为聚晶模。
1)在拉丝之前，先使用轧端机对盘条进行轧头，使用MoS2喷剂对钢丝进行喷涂覆膜，等待喷剂风干后对盘条进行第一道次的拉拔，拉丝速率为3m/min。经过第1道次拉拔之后，钢丝的面缩率为9％。由于不锈钢盘条经过轧制后盘条粗细可能不均匀，且表面可能还有未去除的氧化皮。所以第一道次拉拔的面缩率较小，主要目的是：使盘条规格均匀，去除表面可能存在的氧化皮。
2)第2～8道次拉拔之前，先使用轧端机对盘条进行轧头，使用MoS2喷剂对钢丝进行喷涂覆膜，等待喷剂风干后再进行拉拔。每道次拉拔之后的面缩率分别为27％、26％、24％、23％、22％、21％、21％，拉丝速率均为2.5m/min。此时应变量较低，钢丝的加工硬化程度不高，拉丝速率较快。
3)第9～11道次拉拔之前，先使用轧端机对盘条进行轧头，使用MoS2喷剂对钢丝进行喷涂覆膜，等待喷剂风干后再进行拉拔。每道次拉拔之后的面缩率分别为19％、18％、16％、，拉丝速率为1.5m/min。此时应变量较大，钢丝的加工硬化程度随着应变量的增加而增大，所以应变量越大，面缩率应越小。
经过上述制备流程后，我们得到了直径为1.8mm的双相不锈钢丝成品，应变量为2.57，抗拉强度为2656MPa，延伸率为3.2％。钢丝的工程应力应变曲线如图1所示。微观组织如图2中的(b)所示，盘条的微观组织由奥氏体和铁素体晶粒组成，成品钢丝的组织呈纤维状。
实施例2
制备过程同实施例1的双相不锈钢丝，其不同之处在于，其化学成分按质量百分比计为：C:0.02％，Cr:21.5％，Ni:1.5％，Mn:3.5％，Mo:0.05％，N:0.25％，P:0.009％，S:0.008％，Si:0.45％，W:0.15％，Ce:0.15％，La:0.05％，余量为Fe。
实施例3
制备过程同实施例1的双相不锈钢丝，其不同之处在于，其化学成分按质量百分比计为：C:0.03％，Cr:22.0％，Ni:1.0％，Mn:4.0％，Mo:0.15％，N:0.30％，P:0.006％，S:0.005％，Si:0.45％，W:0.10％，Ce:0.05％，La:0.15％，余量为Fe。
实施例4
制备过程同实施例1的双相不锈钢丝，其不同之处在于，其化学成分按质量百分比计为：C:0.03％，Cr:22.5％，Ni:0.8％，Mn:4.5％，Mo:0.15％，N:0.25％，P:0.006％，S:0.005％，Si:0.45％，W:0.10％，Ce:0.10％，La:0.10％，余量为Fe。盘条直径为5.5mm，成品钢丝直径为1.6mm，应变量为2.47。
实施例5
制备过程同实施例1的双相不锈钢丝，其不同之处在于，其化学成分按质量百分比计为：C:0.03％，Cr:22.5％，Ni:0.8％，Mn:4.5％，Mo:0.15％，N:0.25％，P:0.006％，S:0.005％，Si:0.45％，W:0.08％，Ce:0.05％，La:0.05％，余量为Fe。
步骤(1)中，熔炼的输出功率为100KW，炉温为1550℃。
步骤(2)中，热锻温度为1100℃；热轧温度为1000℃。
第1道次面缩率为7％，第2～8道次面缩率为28％、27％、24％、24％、23％、22％、21％，9～11道次面缩率为19％、19％、17％；第一道次拉丝速率为3.5m/min，2～8道次拉丝速率为2.5m/min，9～11道次拉丝速率为1.0m/min。
热轧盘条的直径为7.0mm，成品不锈钢丝的规格为2.0mm，拉拔应变为2.51。不锈钢丝中奥氏体和铁素体体积分数的比值为1.5。
实施例6
步骤(1)中，熔炼的输出功率为110KW，炉温为1650℃。
步骤(2)中，热锻温度为1200℃；热轧温度为1100℃。
第1道次面缩率为8％，2～8道次面缩率为26％、25％、26％、22％、22％、21％、20％，9～11道次面缩率为18％、17％、16％；第一道次拉丝速率为3.2m/min，2～8道次拉丝速率为2.0m/min，9～11道次拉丝速率为1.3m/min。
热轧盘条的直径为5.5mm，成品不锈钢丝的规格为1.6mm，拉拔应变为2.47。不锈钢丝中奥氏体和铁素体体积分数的比值为1.4。
对比例1
专利CN 105624580B公开的双相不锈钢丝。
对比例2
专利为CN 103103457A公开的双相不锈钢编织软管丝。
对比例3
和实施例1相比，区别在于，第1道次的面缩率为20％；经过第一道次拉拔之后，钢丝表面出现划痕。
对比例4
和实施例1相比，区别在于，第1道次的拉丝速率为4.5m/min；经过第一道次拉拔之后，钢丝表面出现划痕。
对比例5
和实施例1相比，区别在于，第2-8道次的面缩率为31％、28％、27％、25％、24％、24％、22％；钢丝在第6道次的拉拔过程中断裂。
对比例6
和实施例1相比，区别在于，第2-8道次的拉丝速率为3.5m/min；钢丝在第7道次的拉拔过程中断裂。
对比例7
和实施例1相比，区别在于，第9-11道次的面缩率为23％、21％、19％；钢丝在第9道次的拉拔过程中断裂。
对比例8
和实施例1相比，区别在于，第9-11道次的拉丝速率为3.0m/min；钢丝在第9道次的拉拔过程中断裂。
对比例9
和实施例1相比，区别在于，未使用MoS2润滑剂；钢丝在拉拔之后表面损伤严重，表面出现裂纹和划痕，钢丝在第4道次的拉拔过程中断裂。
对比例10
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，未加稀土元素Ce和La。所得钢丝的强度及延伸率见表2。
对比例11
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，未加W元素。所得钢丝的强度及延伸率见表2。
将本发明实施例1-6制得的双相不锈钢丝和对比例1-11的钢丝进行力学性能测试对比，结果如下表1、2所示。
表1实施例的双相不锈钢丝的力学性能
表2对比例的双相不锈钢丝的力学性能
由表1、表2和图3可以看出，本发明的不锈钢丝的强度超过了2600MPa，最高强度为2656MPa，同时还保持3.2％的延伸率。在拉拔过程中，拉丝速率过快、面缩率过大、不使用MoS2润滑剂都会破坏钢丝表面，降低钢丝的可拉拔性，提高断丝率。通过添加稀土元素Ce、La和金属元素W，都可以提高钢丝的强度。
Claims (10)
1.一种超高强度双相不锈钢丝，其特征在于，按质量百分比包含以下组分：C:0.02％～0.03％，Cr:21.5％～22.5％，Ni:0.8％～1.5％，Mn:3.5％～5.0％，Mo:0.05％～0.15％，N:0.20％～0.35％，P≤0.009％，S≤0.008％，Si:0.45％～0.60％，W:0.08％～0.20％，Ce:0.05％～0.15％，La:0.05％～0.15％，余量为Fe。
2.一种权利要求1所述的超高强度双相不锈钢丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将各元素的原料按照比例混合并进行熔炼，将熔炼得到的钢水浇铸得到铸坯；
(2)将铸坯加热锻造得到锻造坯，将所述锻造坯热轧处理得到热轧盘条；
(3)将所述热轧盘条进行固溶处理，然后进行多道次冷拉拔，控制第1道次采用较小压缩量，第2-8道次采用较大压缩量，第9-最后道次采用较小压缩量；得到所述的超高强度双相不锈钢丝。
3.根据权利要求2所述的超高强度双相不锈钢丝的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，第1道次面缩率为7％～9％，拉丝速率为3.0m/min～3.5m/min。
4.根据权利要求2所述的超高强度双相不锈钢丝的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，第2～8道次面缩率分别为28％～26％、27％～25％、26％～24％、24～22％、23％～22％、22％～21％、21％～20％，拉丝速率均为2.0m/min～2.5m/min。
5.根据权利要求2所述的超高强度双相不锈钢丝的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，共进行11道次冷拉拔，第9～11道次面缩率分别为19％～18％、19％～17％、17％～16％；拉丝速率均为1.0m/min～1.5m/min。
6.根据权利要求2所述的超高强度双相不锈钢丝的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，在每道次拉拔之前，使用MoS2喷涂覆膜。
7.根据权利要求2所述的超高强度双相不锈钢丝的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，加热锻造的温度为1100℃～1200℃；热轧温度为1000℃～1100℃。
8.根据权利要求2所述的超高强度双相不锈钢丝的制备方法，其特征在于，所述不锈钢丝中奥氏体和铁素体体积分数的比值为1.3～1.5。
9.根据权利要求2所述的超高强度双相不锈钢丝的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，熔炼的输出功率为100KW～110KW，炉温为1550℃～1650℃。
10.根据权利要求2所述的超高强度双相不锈钢丝的制备方法，其特征在于，热轧盘条的直径为5.5mm～7.0mm，成品不锈钢丝的规格为1.6mm～2.0mm，拉拔应变为2.47～2.57。
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